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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstack und einen Brennstoffzellenstack, der durch ein solches Spannsystem gespannt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Zur Gewährleistung des sicheren und effizienten Betriebs von Brennstoffzellen über die gesamte Nutzungsdauer ist ein zuverlässiges und kostengünstig herstell- und montierbares Spannsystem für Brennstoffzellenstacks erforderlich.
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Zu den Funktionen des Spannsystems gehört die Bereitstellung, Konstanthaltung und gleichmäßige Verteilung der für die Abdichtung und Kontaktierung der einzelnen Zellen erforderlichen Spannkräfte bzw. Flächenpressungen in allen Betriebszuständen. Darüber hinaus muss das Spannsystem die mechanische Stabilität des gesamten Brennstoffzellenstacks gewährleisten und die Fertigungstoleranzen aller Stackkomponenten ausgleichen. Zu den weiteren Funktionen können die Bereitstellung von Befestigungsmöglichkeiten für den Brennstoffzellenstack im Gesamtsystem und korrosionsbeständige Mediendurchführungen gehören.
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WO 02/078107 A2 offenbart eine Endplattenanordnung einer elektrochemischen Zelle der Polymerelektrolytmembranbauart, insbesondere eines Zellstapels mit einer randseitigen Verspannung zwischen zwei Endplatten. Es können dafür Endplatten eingesetzt werden, die durch Kunststoffspritzgussteile gebildet sind, und welche bereits randseitige Ausnehmungen für Zuganker aufweisen.
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DE 10 2004 037 678 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstack, bei dem eine Wärmedämmvorrichtung zwischen den Brennstoffzellen und einer Spannvorrichtung angeordnet ist. Die Spannvorrichtung weist Zugelemente auf, die als Feder, Stab, Seil, Draht, Kette, Band oder Fasermaterial ausgeführt sind.
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DE 10 2006 028 498 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten und mindestens eine Spannvorrichtung umfasst, mittels welcher die Brennstoffzelleneinheiten gegeneinander verspannt werden. Die Spannvorrichtung umfasst mindestens ein Zugelement, das eine Zugkraft für die Verspannung der Brennstoffzelleneinheiten überträgt, und mindestens ein federndes Längendehnungsausgleichselement, das in ein Zugelement oder in eine zwei Zugelemente miteinander verbindende Befestigungsvorrichtung integriert ist.
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Die Spannsysteme des Standes der Technik erfordern jedoch alle eine aufwändige Montage und Einstellung der Einzelkomponenten. Auch gelingt die Einstellung der Einzelkomponenten nicht optimal für alle Stacks und Betriebszustände. Weiterhin sind die Kosten der Herstellung und Montage zu hoch.
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Als Spannsystem für Brennstoffzellenstacks werden nach derzeitigem Stand der Technik im Regelfall spanend hergestellte oder spanend nachbearbeitete Komponenten wie Gewindezuganker, gefräste metallische Endplatten, geschliffene Stromverteilerplatten und Normteile wie Muttern, Schrauben, Gewindestifte, Seile, Spannschellen und/oder Federn eingesetzt. Diese Komponenten weisen aber deutliche Nachteile auf.
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Die größtenteils spanende Herstellung der vielen Einzelkomponenten benötigt lange Zykluszeiten in der Produktion und verursacht entsprechend hohe Stückkosten in der Größenordnung von 150–200 Euro je Brennstoffzellenstack. Diese hohen Kosten tragen zur noch zu geringen wirtschaftlichen Attraktivität von Brennstoffzellensystemen bei und behindern damit ihre rasche und großflächige Markteinführung. Die Montage der vielen Einzelkomponenten ist sehr zeitaufwändig (15–30 Min) und vergrößert das Qualitätsrisiko in der Fertigung.
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Weiterhin verfügen die eingesetzten Normfedern nicht über eine aufgabenangepasste Federkennlinie und verursachen Änderungen in der Leistungscharakteristik des Brennstoffzellenstacks, insbesondere bei instationärem Betrieb und wechselnden Betriebszuständen.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die technische Aufgabe, ein Spannsystem für Brennstoffzellenstacks zu verbessern, und dabei insbesondere einen oder mehrere der folgenden Vorteile zu erzielen:
- • Vereinfachung der Montage und Einstellung der Komponenten für alle Stacks und Betriebszustände.
- • Senkung der Herstellkosten der Komponenten des Spannsystems gegenüber dem derzeitig eingesetzten Stand der Technik um den Faktor 10 durch Einsatz umformtechnischer Herstellverfahren.
- • Senkung der Montagezeiten und damit der Montagekosten des Spannsystems gegenüber dem derzeitig eingesetzten Stand der Technik um den Faktor 10.
- • In Summe Senkung der Herstell- und Montagekosten gegenüber dem derzeitig eingesetzten Stand der Technik um ca. 100–150 Euro je Brennstoffzellenstack.
- • Verbesserung der Automatisierbarkeit des Montagevorgangs und damit Förderung der Industrialisierung des Herstellprozesses für größere Stückzahlen.
- • Senkung des Qualitätsrisikos bei der Montage gegenüber dem derzeitig eingesetzten Stand der Technik durch Verringerung der Anzahl der Komponenten und Arbeitsgänge.
- • Erhöhung der Sicherheit und Stabilität von Brennstoffzellen gegenüber dem derzeitig eingesetzten Stand der Technik durch Entwicklung und Einsatz von Federelementen mit aufgabenspezifischen Federkennlinien.
- • Erhöhung der Leistungsfähigkeit und des Wirkungsgrads von Brennstoffzellen durch verbesserte Spannung von porösen Stackkomponenten.
- • Robusteres Stackverhalten durch Verringerung der Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und Anwendungsbereichen.
- • Förderung der Markteinführung der Brennstoffzellentechnologie durch Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird vom Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu finden.
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Insbesondere wird die technische Aufgabe gelöst durch ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstack mit einer Endplatte, einer Druckplatte, und einem Federelement, welches zwischen der Endplatte und der Druckplatte angeordnet ist. Das Spannsystem umfasst weiterhin eine stufenlos selbstjustierende Befestigungsvorrichtung zur anpassbaren Befestigung der Endplatte an einer weiteren Endplatte eines weiteren Spannsystems zum Spannen eines Brennstoffzellenstacks.
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Ein solches Spannsystem wird üblicherweise paarweise verwendet, d. h. an beiden Enden eines Brennstoffzellenstacks wird je ein Spannsystem angeordnet und gegeneinander und um den Brennstoffzellenstack verspannt. Auf diese Weise spannen die beiden Spannsysteme den Brennstoffzellenstack auf eine symmetrische und daher sehr gleichmäßige Art. Es ist jedoch auch möglich, dass nur ein Spannsystem gemäß Anspruch 1 mit einem vereinfachten Spannsystem auf der anderen Seite des Brennstoffzellenstacks zusammenwirkt. In diesem vereinfachten Spannsystem kann z.B. das Federelement weggelassen werden.
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Im Wesentlichen liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen Spannsystems in der einfachen Herstellung, Montage und Einstellung der Einzelkomponenten. Dies wird erreicht durch seine Form als modulares Baukastensystem zur kostengünstigen Anpassung an die am Markt angebotenen Stackgeometrien, die Reduzierung der Anzahl der Komponenten durch Funktionsintegration, die Verwendung kostengünstig herstellbarer Komponenten, die einfache, werkzeuglose Montage, und die guten Anpassbarkeit an verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks. Die einzelnen Komponenten des Spannsystems und ihre Wirkung werden im Folgenden separat erläutert. Die Montage wird im Zusammenhang mit den 7 und 8 ausführlich beschrieben.
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Die Befestigungsvorrichtung umfasst bevorzugt mindestens ein Sicherungselement zum stufenlos selbstjustierenden Zusammenwirken mit einer Zugvorrichtung. Das mindestens eine Sicherungselement kann separat sein, oder in die Endplatte integriert sein.
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Die Befestigungsvorrichtung ermöglicht einen stufenlosen Ausgleich der Fertigungstoleranzen und eine stufenlose und selbstjustierende Einstellbarkeit, insbesondere eine stufenlos selbstjustierende und selbstklemmende Einstellbarkeit der Dicken und Parallelitätstoleranzen aller Stackkomponenten (z.B. Bipolarplatten, Membran-Elektroden-Einheiten, Dichtungen, Isolierplatten, Stromabnehmerplatten, Stromverteilerplatten, Endplatten). Die stufenlos selbstjustierende Einstellbarkeit bedeutet, dass die Befestigungsvorrichtung nicht aktiv eingestellt werden muss, sondern dass sie Toleranzen automatisch ausgleicht. Dies wird erreicht, indem bei der Montage das Spannsystem auf Anschlag gedrückt wird, und sich die Befestigungsvorrichtung beim Wegnehmen der Montagekraft automatisch auf eine gleichmäßig verteilte Spannung in der richtigen Höhe einstellt. Der Montageablauf und insbesondere die Selbstklemmung wird detailliert anhand der 7 und 8 beschrieben.
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Das Sicherungselement kann ein Gewindezug und die Zugvorrichtung kann eine Gewindestange sein. Diese Ausführungsvariante kann durch dafür geeignete Mittel ebenfalls den oben beschriebenen automatischen, selbstjustierenden Toleranzausgleich ermöglichen.
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Das Sicherungselement kann aber auch eine Scheibe mit einer innen liegenden, insbesondere gezackten oder sternförmigen Öffnung sein, und die Zugvorrichtung kann ein Zuganker sein. In letzterem Fall ist der innere Durchmesser der Öffnung in einem ersten ebenen Zustand der Scheibe bevorzugt etwas kleiner als der Außendurchmesser des Zugankers. In einem zweiten, zu einem flachen Konus aufgebogenen Zustand der Scheibe ist der innere Durchmesser der Öffnung bevorzugt etwas größer als im ersten ebenen Zustand, aber immer noch etwas kleiner als der Außendurchmesser des Zugankers.
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Der zweite, aufgebogene Zustand der Scheibe wird z.B. durch Biegen der zuvor sternförmig gestanzten Zungen erreicht und führt zu einem Aufbiegen der die sternförmige Öffnung umgebenden Zungen. Das Aufbiegen der Zungen vergrößert den inneren Durchmesser der Öffnung und erleichtert die Montage der Zugvorrichtung durch eine Reduzierung der Montagekräfte. Bevorzugt ist eine Demontage des Zugankers in die entgegengesetzte Richtung, also ein Herausziehen des Zugankers aus der Scheibe ohne Zerstörung der Scheibe, nicht mehr möglich. Dies kann durch eine entsprechende Auslegung (Werkstoffpaarung, Materialstärke, Übermaß, Gratseite...) des Zugankers und der Scheibe erreicht werden.
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Das Sicherungselement sollte im Einsatz, also unter Belastung, eine Verformung zwischen 0 und 1 mm bei einer senkrecht wirkenden Kraft zwischen 1000 und 4000 N erfahren. Die Werte können in der Praxis von den genannten Werten stark abweichen, da die Kraft von den Sicherungselementen und der gewünschten Spannung abhängt. Die Anzahl, Auslegung und Dimensionierung der Sicherungselemente und der Zugvorrichtungen wird so gewählt, dass die vom Kunden gewünschten Kräfte sicher übertragen werden können.
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Alternativ kann der innere Durchmesser der Öffnung in einem ersten ebenen Zustand der Scheibe auch etwas größer als der Außendurchmesser des Zugankers sein, sodass die Scheibe nach der Montage des Zugankers so verkippt werden kann, dass sich die Scheibe und der Zuganker verklemmen. Verkippen bedeutet, dass die Senkrechte auf die Scheibe durch die Mitte der Öffnung nicht mehr parallel zur Längsachse des Zugankers ist. Dabei entsteht, in der Projektion betrachtet, in der Scheibe ein elliptischer Durchbruch, dessen kleine Hauptachse kleiner als der Außendurchmesser des Zugankers ist. Die Scheibe klemmt.
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Denkbar ist statt einer runden Bohrung im Sicherungselement auch eine Ellipsenform mit einem ersten Radius, der etwas größer ist als der Außendurchmesser der Zugvorrichtung, und einem zweiten Radius, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der Zugvorrichtung.
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Auch andere, dem Fachmann bekannte Konstruktionen für zusammenwirkende Sicherungselemente und Zugvorrichtungen können verwendet werden, um eine stufenlos einstellbare und selbstklemmende Befestigungsvorrichtung zu erzeugen.
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Der Durchtrittspunkt des Zugankers durch die Endplatte kann mithilfe einer Verrippung so ausgelegt werden, dass sich die Endplatte lokal unter Einwirkung der Federvorspannkraft etwas durchbiegt und so eine Selbsthemmung herbeiführt. Dasselbe gilt für eine weitere Endplatte eines weiteren Spannsystems auf der anderen Seite des Brennstoffzellenstacks. Dabei kann gelten, je größer die Beanspruchung wird, desto stärker biegt sich die Endplatte durch, und umso stärker wird die Selbsthemmung.
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Die Zugvorrichtung kann an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende über ein Sicherungselement an der Endplatte befestigt oder zusätzlich gesichert sein. Ein Ende der Zugvorrichtung kann aber auch einen Kopf (nagelartig) zur Bildung eines Formschlusses mit der Endplatte umfassen.
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Das Federelement, und insbesondere seine Kennlinie, seine Form und sein Material, sind bevorzugt angepasst, um eine verbesserte, d.h. konstante, vom Betriebszustand (thermische Ausdehnung, Setzverhalten usw.) und der Geometrie des Brennstoffzellenstacks unabhängige Spannung im Brennstoffzellenstack zu erreichen. Das Federelement ist dabei vorteilhafterweise eine oder mehrere Tellerfedern, und insbesondere eine geschlitzte Tellerfeder. Tellerfedern sind aufgrund der geringeren Hysterese und der kompakteren Bauform für diesen Anwendungsfall sehr geeignet. Das Federelement weist bevorzugt eine degressive oder horizontale Kennlinie, und insbesondere eine flache degressive Kennlinie auf. Auch andere Federn mit solchen Kennlinien sind möglich, wie beispielsweise axial beanspruchte Schraubenfedern mit schrägstehenden Windungen.
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Dabei kann das Federelement, und insbesondere seine Kennlinie, seine Form und sein Material, an den Einsatz im Dichtungsbereich von Medienanschlüssen des Brennstoffzellenstacks angepasst sein. Es ist z.B. denkbar, dass im Dichtungsbereich eine andere, z.B. höhere Flächenpressung als im aktiven Stackbereich gewünscht wird.
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Insgesamt wird durch den Einsatz eines Federelements mit einer solchen aufgabenspezifischen Federkennlinie die Sicherheit und Stabilität von Brennstoffzellen gegenüber dem derzeitig eingesetzten Stand der Technik erhöht. Weiterhin wird durch die verbesserte Spannung der Brennstoffzellen ihre Leistungsfähigkeit erhöht, und ihre Abhängigkeit von äußeren Umständen, wie Umgebungsbedingungen und Anwendungsbereichen, verringert. Im Brennstoffzellenstack können z.B. Spannungen zwischen ca. 0,3–3,0 MPa und bevorzugt zwischen ca. 0,8–2,0 MPa erreicht werden.
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Die Endplatte und/oder die Druckplatte schließen das Spannsystem axial nach oben und unten ab und umfassen bevorzugt mindestens eine lokale Versteifung, insbesondere mindestens eine Sicke, einen Zug, einen gebogenen Rand, einen Steg usw. Die Steifigkeit der Endplatte und/oder der Druckplatte kann an den Einsatz im Dichtungsbereich von Medienanschlüssen des Brennstoffzellenstacks angepasst werden.
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Die Endplatte und/oder die Druckplatte umfasst weiter bevorzugt eine Zentrierhilfe und/oder eine Positionierhilfe zur korrekten Zentrierung und Positionierung des Federelements, insbesondere eine Sicke, einen Zug, einen gebogenen Rand, einen Steg usw.
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Die Endplatte und/oder die Druckplatte umfasst bevorzugt mindestens eine Distanzhilfe z.B. in der Form einer Lasche mit einer Aussparung, deren Begrenzungen Anschläge bilden. Die Endplatte und/oder die Druckplatte umfasst weiter bevorzugt mindestens einen Vorsprung zum Zusammenwirken mit der Lasche und der Aussparung. Die Vorsprünge ermöglichen im Zusammenspiel mit den Laschen und Aussparungen eine werkzeuglose Montage des Spannsystems ohne Nachjustierung und haben daher mehrere Funktionen: Sie ermöglichen die vorgespannte Anlieferung einer vormontierten Baugruppe, sie schützen die Federelement bei der Stackmontage vor Überbeanspruchung, und sie dienen zur Überwachung der Spannung während des Stackbetriebs.
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Unabhängig davon können die Endplatte und/oder die Druckplatte mindestens eine Nase und/oder mindestens einen entsprechenden Hohlraum für die Nase zur optischen und/oder haptischen Überwachung der korrekten Montage und/oder Spannung des Spannsystems durch Überprüfung der Lage der Nase relativ zu dem Hohlraum umfassen.
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Die Endplatte und/oder die Druckplatte umfasst bevorzugt eine Rampe, die durch Verdrehung des Federelements gegenüber der Rampe eine stufenlose Änderung der Federspannung ermöglicht.
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Durch diese Gruppe von Distanzhilfen, Positionierhilfen, Nasen usw. wird eine werkzeuglose, rasche und kostengünstige Montage des Spannsystems durch ein einfaches Zusammenstecken auf Anschlag ohne Nachjustierung ermöglicht. Dadurch werden die Montage- und Herstellungskosten gesenkt, und die Automatisierbarkeit sowie die Qualität der Montage verbessert.
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Die Druckplatte kann einteilig oder doppelwandig ausgeführt sein und auf der dem Federelement zugewandten Seite bevorzugt ein z.B. tiefgezogenes dickeres bzw. stabileres Material umfassen, sodass die linienförmig von dem Federelement eingeleiteten Kräfte ohne Beschädigung in die Druckplatte eingeleitet werden können. Die Druckplatte kann auf der dem Federelement abgewandten Seite für eine gleichmäßige Druckverteilung bevorzugt eine Folie oder ein dünnes Blech umfassen, welche(s) mit dem dickeren bzw. stabileren Material mediendicht verbunden und insbesondere verschweißt ist.
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Die Druckplatte ist bevorzugt mit einem viskosen Medium gefüllt. Weiter bevorzugt ist die Druckplatte mit einer Paste, einem Granulat oder einem Material gefüllt, das nach der Befüllung und/oder im Betrieb des Brennstoffzellenstacks den Aggregatzustand von fest zu flüssig ändert. Auf diese Weise ist das Füllmedium im unmontierten Zustand fest, sodass es einfacher ist, die Druckplatte mediendicht zu verschweißen. Im Betrieb, d.h. unter Spannung, wird das Medium flüssig und ermöglicht einen hydrostatischen Druckausgleich von Druckverteilungsänderungen, die während des Betriebs auftreten. Das Spannsystem schließt bevorzugt an eine Isolatorplatte des Brennstoffzellenstacks an.
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Das Spannsystem umfasst weiter bevorzugt mindestens ein Kopplungselement zur Kopplung mit weiteren Komponenten (Lüfter, Steckeranschluss usw.) und/oder Brennstoffzellenstacks. Das Kopplungselement ist bevorzugt in die Endplatte integriert.
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Die plattenförmigen Komponenten werden vorzugsweise durch Stanzen und Ziehen im Folgeverbund oder in Transferwerkzeugen hergestellt. Sie können alternativ auch durch Schneidverfahren, wie z.B. Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Drahterodieren hergestellt werden. Zuganker und andere Drahtteile werden vorzugsweise durch Drahtziehen, Schneiden und bei bestimmten Ausführungsvarianten Stauchen hergestellt.
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Die wesentlichen Komponenten des Spannsystems sind folglich bevorzugt umformtechnisch hergestellt. Umformtechnische Verfahren liefern endkonturnahe, sowohl energetisch als auch stofflich sehr effizient herstellbare Bauteile. Bei einer Realisierung über Drahtbauteile wird das verwendete Halbzeug zu 100% genutzt, es entsteht also kein Abfall/Schrott. Durch eine solche Beschränkung auf wenige, ressourceneffizient und kostengünstig umformtechnisch hergestellte Komponenten aus z.B. Draht und Band werden also die Herstellkosten weiter gesenkt.
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Die plattenförmigen Komponenten werden bevorzugt aus einem hochfesten Stahlband mit Materialstärken zwischen 0,05 und 3 mm, und weiter bevorzugt zwischen 0,2 und 2 mm hergestellt. Die Federn werden bevorzugt aus einem hochfesten Federstahlband mit Materialstärken zwischen 0,2 und 3,5 mm, und weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 2,5 mm hergestellt. Zuganker werden bevorzugt aus einem Walzdraht mit einem Durchmesser zwischen 1 und 12 mm, und weiter bevorzugt zwischen 3 und 8 mm hergestellt. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit aller Komponenten können korrosionsbeständige Legierungszusammensetzungen gewählt oder geeignete Beschichtungssysteme eingesetzt werden.
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Die wesentlichen Komponenten des Spannsystems sind bevorzugt aus rostfreien und warmfesten Federstählen, um eine kosten- und energieintensive nachfolgende Wärme- und Oberflächenbehandlung zu vermeiden, und Betriebstemperaturen bis ca. 300° C zu ermöglichen. Die wesentlichen Komponenten des Spannsystems bestehen weiter bevorzugt aus Draht- oder Blechformteilen, sodass die Werkzeugkosten durch die Mitverwendung von auf NC-Biegeautomaten auch in kleinen Stückzahlen und Losgrößen wirtschaftlich und flexibel herstellbaren Federstahlformteilen gesenkt werden. Die Zugvorrichtungen sind weiter bevorzugt nicht aus Federstahl, sondern aus einem weicheren Stahl. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Oberfläche einer Zugvorrichtung weicher ist als die Zunge eines Sicherungselements, sodass sich die Zunge formschlüssig in den Draht der Zugvorrichtung „eingraben“ kann.
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Zusammenfassend nutzt die Erfindung die folgenden Effekte aus bzw. erreicht die folgenden Vorteile:
- • Einfachen Herstellung, Montage und Einstellung der Einzelkomponenten.
- • Beschränkung auf wenige, ressourceneffizient und kostengünstig umformtechnisch herstellbare Komponenten aus Draht und Band.
- • Reduzierung der Anzahl der Komponenten durch Funktionsintegration.
- • Entwicklung eines modularen Baukastensystems zur kostengünstigen Anpassung an die verschiedenen am Markt angebotenen Stackgeometrien.
- • Senkung der Werkzeugkosten durch Mitverwendung von auf NC-Biegeautomaten auch in kleinen Stückzahlen und Losgrößen wirtschaftlich und flexibel herstellbaren Federstahldrahtformteilen.
- • Nutzung rostfreier Federstahlqualitäten, um eine kosten- und energieintensive nachfolgende Wärme- und Oberflächenbehandlung zu vermeiden, und Betriebstemperaturen bis ca. 300° C zu ermöglichen.
- • Einsatz eines sich selbst stufenlos einstellenden, selbsthemmenden Klemmsystems zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen.
- • Entwicklung einer Federgeometrie mit im Arbeitsbereich flacher, möglichst degressiver Federkennlinie.
- • Entwicklung eines gut automatisierbaren, werkzeuglosen Montage- und Demontagekonzepts.
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin durch die Verwendung solcher Spannsysteme und durch einen Brennstoffzellenstack mit einem solchen Spannsystem gelöst.
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Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.
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1 zeigt einen vereinfacht dargestellten Brennstoffzellenstack mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem in einer Explosionsansicht.
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2 zeigt einen vereinfacht dargestellten Brennstoffzellenstack mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem im Querschnitt.
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3 zeigt eine Detailansicht des in 2 gezeigten Querschnitts.
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4 zeigt ein Sicherungselement in Form einer Scheibe.
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5 zeigt zwei Scheiben beim Zusammenwirken mit je einer Zugvorrichtung in Form eines Zugankers.
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6 zeigt ein Federelement im eingebauten Zustand im Querschnitt und ein Federelement in der Draufsicht.
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7 zeigt ein Kraft-Weg Diagramm eines Brennstoffzellenstacks mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem.
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8a bis c zeigen den Montageablauf eines Brennstoffzellenstacks mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert.
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1 zeigt einen vereinfacht dargestellten Brennstoffzellenstack 100 mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem in einer Explosionsansicht. Vorzugsweise ist am unteren Ende des Brennstoffzellenstacks 100 ebenfalls ein erfindungsgemäßes Spannsystem vorgesehen. Das Spannsystem umfasst ausgehend von dem Brennstoffzellenstack 100 (in der 1 nach oben) eine zweiteilige Druckplatte 6, zwei Federelemente 3 und eine Endplatte 1. Die einzelnen Komponenten und ihre Wirkung werden im Folgenden separat erläutert.
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Die Druckplatte 6 umfasst eine (in den Figuren) untere Einzelplatte 63 und eine obere Einzelplatte 64, die z.B. miteinander verschweißt sind. Die Druckplatte 6 kann aber auch einteilig ausgeführt sein. Die Endplatte 1 und die Druckplatte 6 schließen das Spannsystem axial nach oben und unten ab. Die Endplatte 1 weist lokale Versteifungen 11 in der Form von Sicken, Zügen, Stegen und einem gebogenen Rand auf. Die Steifigkeit der Endplatte 1 wird so an den Einsatz in verschiedenen Bereichen des Brennstoffzellenstacks 100 angepasst. So herrschen z.B. im Zentrum der Fläche der Endplatte 1 und in Dichtungsbereichen von Medienanschlüssen des Brennstoffzellenstacks 100 unterschiedliche Bedingungen und Anforderungen. Die lokalen Versteifungen 11 können auch an anderen Komponenten des Spannsystems verwendet werden, wie z.B. an der zweiteiligen Druckplatte 6 bzw. an ihrer oberen Einzelplatte 64.
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Zwei Federelemente 3 sind zwischen der Endplatte 1 und der Oberseite der Druckplatte 6 bzw. ihrer oberen Einzelplatte 7 angeordnet. Es können mehr oder weniger Federelemente 3 verwendet werden. Die Federelemente 3 sind Tellerfedern mit einer flachen degressiven Kennlinie. Die Federelemente 3 und insbesondere ihre Kennlinien sind angepasst, um eine konstante, vom Betriebszustand und der Geometrie des Brennstoffzellenstacks 100 unabhängige Spannung im Brennstoffzellenstack 100 zu erreichen. Für den Einsatz im Dichtungsbereich von Medienanschlüssen des Brennstoffzellenstacks 100 können andere Federelemente 3 verwendet werden, die insbesondere durch ihre Kennlinie an die Bedingungen und Anforderungen im Dichtungsbereich von Brennstoffzellenstacks 100 angepasst sind.
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Die Endplatte 1 weist Positionierhilfen 12 zur korrekten Positionierung des Federelements 3 auf. Die Positionierhilfen 12 können z.B. die Form einer Sicke, eines Zugs, eines gebogenen Rands usw. einnehmen.
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Die Endplatte 1 weist Distanzhilfen zur Einstellung einer bestimmten Federspannung und/oder zur werkzeuglosen Montage des Spannsystems ohne Nachjustierung und/oder zur Absicherung des Federelements gegen eine Überlastung bei der Montage auf. Die Distanzhilfen können z.B. die Form von Laschen 13 mit Aussparungen 14 und Anschlägen einnehmen, wobei die Aussparungen 14 für ein Zusammenwirken mit Vorsprüngen 62 der Druckplatte 6 ausgebildet sind.
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Durch die Positionierhilfen 12, die Distanzhilfen 13, die Aussparungen 14, die Vorsprünge 62 usw. wird eine werkzeuglose, rasche und kostengünstige Montage des Spannsystems durch ein einfaches Zusammenstecken auf Anschlag ohne Nachjustierung ermöglicht. Dadurch werden die Montage- und Herstellungskosten gesenkt, und die Automatisierbarkeit sowie die Qualität der Montage verbessert. Die Montage wird zu den 7 und 8 detailliert erläutert.
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Die Positionierhilfen 12, die Distanzhilfen 13, die Aussparungen 14, die Vorsprünge 62 usw. können nicht nur an der Endplatte 1, sondern auch an der Druckplatte 6 ausgebildet sein. Die Positionierhilfen 12, die Distanzhilfen 13, die Aussparungen 14, die Vorsprünge 62 usw. können beliebige Anzahlen und unterschiedliche geometrische Formen aufweisen. Es sind auch gleichzeitig unterschiedliche Arten und/oder Größen von Positionierhilfen 12, Distanzhilfen 13, Aussparungen 14, Vorsprünge 62 usw. für verschiedene Bereiche in einem Brennstoffzellenstack 100 und/oder unterschiedliche Arten oder Größen von Brennstoffzellenstacks 100 möglich, sodass das Spannsystem flexibel für unterschiedliche Brennstoffzellenstacks 100 verwendet werden kann.
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2 zeigt den vereinfacht dargestellten Brennstoffzellenstack 100 mit dem erfindungsgemäßen Spannsystem im Querschnitt, und 3 zeigt eine Detailansicht des in 2 gezeigten Querschnitts. Die Druckplatte 6 aus den zwei Einzelplatten 63, 64 ist zwischen dem Brennstoffzellenstack 100 und den Federn 3 des Spannsystems angeordnet. Die Druckplatte 6 ist mit einem viskosen Medium 61, einer Paste, einem Granulat oder einem Material gefüllt, das nach der Befüllung und/oder im Betrieb des Brennstoffzellenstacks 100 den Aggregatzustand von fest zu flüssig ändert.
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Das Spannsystem umfasst weiterhin eine stufenlos selbstjustierende Befestigungsvorrichtung zur anpassbaren Befestigung der Endplatte 1 an einer weiteren Endplatte eines weiteren Spannsystems zum Spannen des Brennstoffzellenstacks 100. Die Befestigungsvorrichtung ermöglicht einen stufenlosen Ausgleich der Fertigungstoleranzen und eine stufenlose Einstellbarkeit der Dicken und Parallelitätstoleranzen aller Stackkomponenten. Eine mögliche Form der Befestigungsvorrichtung ist in den 4 und 5 gezeigt. Die Befestigungsvorrichtung umfasst im Allgemeinen Sicherungselemente 4 zum Zusammenwirken mit Zugvorrichtungen 5. Die Sicherungselemente 4 können separat sein, oder in die Endplatte 1 integriert sein.
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4 zeigt ein Sicherungselement 4 in Form einer Scheibe 41, und 5 zeigt zwei solche Scheiben 41 beim Zusammenwirken mit je einer Zugvorrichtung 5 in Form eines Zugankers 51. Die Scheibe 41 weist eine innen liegende sternförmige Öffnung 42 auf.
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Der innere Durchmesser der Öffnung 42 ist in einem ersten ebenen Zustand der Scheibe 41 etwas kleiner als der Außendurchmesser des Zugankers 51. In einem zweiten, zu einem flachen Konus aufgebogenen Zustand der Scheibe 41 ist der innere Durchmesser der Öffnung 42 etwas größer als im ersten ebenen Zustand, aber immer noch etwas kleiner als der Außendurchmesser des Zugankers 51. Das Zusammenspiel zwischen der Scheibe 41 und dem Zuganker 51 wird weiter unten mit Bezug zu den 8a bis 8c beschrieben.
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Der zweite, aufgebogene Zustand der Scheibe 41 wird z.B. durch Biegen der zuvor sternförmig gestanzten Zungen erreicht und führt zu einem Aufbiegen der die sternförmige Öffnung 42 umgebenden Zungen 43. Die Anzahl und Verteilung der Zungen 43 kann den Einsatzbedingungen und den Materialeigenschaften angepasst werden. Das Aufbiegen der Zungen 43 vergrößert den inneren Durchmesser der Öffnung 42 und erleichtert die Montage des Zugankers 51 durch eine Reduzierung der Montagekräfte. Eine Demontage des Zugankers 51 in die entgegengesetzte Richtung, also ein Herausziehen des Zugankers 51 aus der Scheibe 41 ohne Zerstörung der Scheibe 41 ist nicht mehr möglich. Dies wird durch eine entsprechende Auslegung (Werkstoffpaarung, Materialstärke, Übermaß, Gratseite...) des Zugankers 51 und der Scheibe 41 erreicht werden.
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Der Durchtrittspunkt des Zugankers 51 durch die Endplatte 1 kann mithilfe einer Verrippung so ausgelegt werden, dass sich die Endplatte 1 lokal etwas durchbiegt und so eine Selbsthemmung herbeiführt. Dabei gilt, je größer die Beanspruchung, desto stärker biegt sich die Endplatte 1 durch, und umso stärker wird die Selbsthemmung. Eine solche Funktion ist unabhängig von der Form des Sicherungselements 4. Das Sicherungselement 4 kann folglich rund, elliptisch, sternförmig usw. sein.
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6 zeigt ein Federelement 3 im Querschnitt A-A im eingebauten Zustand zwischen der Druckplatte 6 und der Endplatte 1. 6 zeigt weiterhin das Federelement 3 in der Draufsicht, in der der Schnittverlauf A-A gekennzeichnet ist. Die Druckplatte 6 weist eine Zentrierhilfe 33 und die Endplatte 1 weist eine Positionierhilfe 12 zur Zentrierung und Positionierung des Federelements 3 auf. Die Druckplatte 6 weist vier schräge Rampen 34 auf, die jeweils einen Winkel von 45° abdecken. Jede andere Anzahl, Größe und Verteilung von Rampen ist ebenfalls möglich. In der Mitte des Federelements 3 ist ein Mitnehmerprofil 35 für einen Schlüssel 31 vorgesehen. Neben dem gezeigten Innenprofil sind auch sämtliche anderen Profile möglich, wie z.B. für Sechskant-, Torx-, Sternschlüssel usw. Durch eine Verdrehung des Federelements 3 durch den Schlüssel um 31 bis zu 45° gegenüber den Rampen 34 der Druckplatte 6 wird eine stufenlose Änderung der Federspannung des Federelements 3 ermöglicht.
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7 zeigt ein Kraft-Weg Diagramm eines Brennstoffzellenstacks mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem. Die 8a bis c zeigen den Montageablauf eines Brennstoffzellenstacks mit einem erfindungsgemäßen Spannsystem. Im Zusammenhang mit diesen Abbildungen wird ein beispielhafter Montagevorgang des Spannsystems erläutert. Ein beispielhafter Montagevorgang des Spannsystems umfasst, wie in 8a gezeigt, ein Einlegen der Federelemente 3 in die Endplatte 1 und eine Positionierung über die Positionierhilfen 12. Es folgt ein Auflegen und Einclipsen der Druckplatte 6, bis die Vorsprünge 62 in den Aussparungen 14 (Fenster) der Laschen 13 einrasten (siehe Detail B). Die Vorsprünge 62 der Druckplatte 6 liegen an den Unterkanten der Aussparungen 14 der Laschen 13 an (siehe Detail C). In diesem Zustand ist eine solche Baugruppe vorgespannt und wird dann meist paarweise zum Stackhersteller geliefert. Das Diagramm der 7 zeigt die Spannung des Systems im Anlieferungszustand, d.h. wenn die Vorsprünge 62 in den Aussparungen 14 der Laschen 13 einrasten.
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Wie in 8b gezeigt, drückt der Stackhersteller dann jeweils eine Baugruppe mit der Druckplatte 6 oben und unten gegen den Brennstoffzellenstack 100 (siehe Detail B), bis die Vorsprünge 62 an den Oberkanten der Aussparungen 14 anschlagen (siehe Detail C). Die Anschläge dienen zur Einstellung einer bestimmten Federspannung. Durch diese Anschläge werden weiterhin die Federelemente 3 vor Überlast geschützt. Das Diagramm der 7 zeigt das weitere Spannen des Systems in den sog. Montagezustand. Gleichzeitig werden die Zugvorrichtungen 5 in die beiden Endplatten 1 oberhalb und unterhalb des Brennstoffzellenstacks 100 geschoben und gesichert (siehe Detail D). Sobald die Montagekraft weggenommen wird, greifen die Sicherungselemente 4 und verformen sich leicht bzw. werden aufgespreizt.
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Wie in 8c gezeigt, liegen die Vorsprünge 62 nun nicht mehr an den Oberkanten der Aussparungen 14 in den Laschen 13 an, sondern stellen sich mittig bzw. frei in den Aussparungen 14 ein (siehe Detail C). Das Diagramm der 7 zeigt das Freigeben des Systems bis zu dem sog. Arbeitspunkt. Es wird also eine schwebende bzw. schwimmende Lagerung erreicht, die z.B. Ausdehnungen des Systems unter Temperatur- oder Druckeinflüssen erlaubt. Das Diagramm der 7 zeigt den sog. Arbeitsbereich bzw. den Betriebszustand. Die Kennlinie um den Arbeitsbereich ist annähernd horizontal, was zur Folge hat, dass Veränderungen des Federvorspannwegs – z.B. hervorgerufen durch Setzvorgänge in den Dichtungen oder thermische Dehnungen – keine Auswirkungen auf die Vorspannkraft haben
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Im Wesentlichen liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen Spannsystems daher in der einfachen Herstellung, Montage und Einstellung der Einzelkomponenten. Dies wird erreicht durch in seine Form als modulares Baukastensystem zur kostengünstigen Anpassung an die am Markt angebotenen Stackgeometrien, die Reduzierung der Anzahl der Komponenten durch Funktionsintegration, die Verwendung kostengünstig herstellbarer Komponenten, die einfache, werkzeuglose Montage und die gute Anpassbarkeit an verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 02/078107 A2 [0004]
- DE 102004037678 A1 [0005]
- DE 102006028498 A1 [0006]
